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DISPOSITIF DE PROTECTION 'DIFFERENTIEL >P;0UR REDRESSEURS DE-COURANT.
Pour éviter les effets désastreux des retours d'arc dans des re- dresseurs de courant, particulièrement des convertisseurs à contact, on con- naît le procédé consistant à utiliser un dispositif comparant le courant al- ternatif d'entrée au courant continu de sortie du redresseur de courant, qui dans le cas d'arcs de retour déclenche un dispositif de protection.
La figure 1 représente schématiquement un tel dispositif de pro- tection différentiel. On y a choisi à titre d'exemple un transformateur à contacts K protégeant contre les retours d'arc et représenté symboliquement Le courant continu Jg qu'il produit est comparé dans un transformateur annulaire différentiel a un deuxième courant continu Jw' qui à l'aide d'une installation de redressement total G est obtenu à partir des courants secon- daires de convertisseurs SW, qui sont montés dans les conducteurs U, V, W amenant le courant continu au transformateur à contacts K.
En cas de per-- turbation de l'équilibre d'ampère-tours dans le convertisseur annulaire R, qui a lieu par exemple en cas de retour d'arc parce que le courant con- tinu Jw obtenu à partir des courants alternatifs des phases U, V, W augmente très rapidement, tandis que le courant continu de charge Jg commence à décroître, la polarité du noyau annulaire du convertisseur est renversé et une impulsion iA est produite dans l'enroulement de déclenchement A, qui manoeuvre
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le court-circuiteur Sch.
Le court-circuiteur, qui est maintenu ouvert pen- dant le fonctionnement normal, par exemple à aide de l'enroulement de sup- port H, ponte alôrs les contacts de manoeuvre du convertisseur K et les pro- tège ainsi contre les brûlures, de telle sorte que la suppression de la per- turbation peut avoir lieu de manière appropriée, par exemple à l'aide de 1' interrupteur principal, sans que des exigences spéciales en ce qui concerne la rapidité de cette suppression soient imposées.
A cause de la nécessité du montage en redresseur G et des con- vertisseurs SW, le montage de protection suivant la figure 1 est surtout em- ployé dans des redresseurs à grande puissance. Mais leur prix de revient
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est trop élevé pour les redresseurs de puissance faible et moyenne. Pour cette raison la présente invention a pour but de créer un montage de pro- tection dans lequel les' convertisseurs et le dispositif redresseur auxili- aire ne sont pas nécessaires.
L'invention se rapporte également à un dispositif de protection différentiel pour redresseurs de courant, particulièrement pour transforma- teurs à contacts, dans lequel un dispositif comparant le courant alternatif fourni au courant continu produit déclenche le dispositif de protection pour le redresseur de courant. Suivant l'invention les courants à comparer constituent directement le flux traversant les circuits magnétiques fermés, sur lesquels sont montés les enroulements de déclenchement pour le disposi- tif de protection. L'invention sera décrite plus en détail avec référence aux figures 2 à 14.
Les figures 2 et 3 représentent schématiquement un exemple de disposition de principe d'un dispositif de protection suivant l'invention, destiné à un raccordement triphasé. Un des deux conducteurs de courant con- tinu traverse trois noyaux annulaires Rl, R2 et R3 en matière magnétique à courbe d'hytérésis de préférence approximativement rectangulaire, par exem- ple en un alliage fer-nickel ou silicium-fer, de telle sorte que les trois noyaux sont traversés par le flux du courant continu Jg de charge. En outre chaque noyau est traversé par un des trois conducteurs courant continu U, V, W.
Les trois noyaux portent en outre encore des enroulements de déclenche- ment Al, A2, A3, montés par exemple en série et reliés à la bobine de dé- clenchement du dispositif de protection..
Le fonctionnement de ce dispositif sera expliqué tout d'abord à l'aide, du montage triphasé en étoile d'un transformateur à contacts, avec référence à la figure 4. Le montage en série, non représenté en détail, de chaque dispositif de contact isolé avec la bobine de réactance associée connue en soi, est remplacé par le symbole d'un redresseur K1, K2, K3, indi- quant également la direction normale du courant redressé par le transforma- teur à contacts. Kl, K2, K3 peuvent cependant également désigner des redres- seurs d'un,type différent, par exemple des redresseurs de décharge. Tr dé- signe un transformateur raccordé au réseau alternatif R, S, T. Les cou- rants des phases secondaires U, V, W de ce réseau alternatif sont redressés par les redresseurs Kl, K2, K3.
L désigne la charge du redresseur-de courant et D désigne une bobine de réactance pour le filtrage du courant continu de charge Jg. R1, R2, R3 désignent les noyaux annulaires représentés par la figure 2. -
La figure 5 représente l'évolution des courants il.. i2, et i3, qui traversent les redresseurs Kl, K2, K3 des différentes phases (figure 4) sous forme de courbe. En cas de fonctionnement normal non perturbé il se forme à la fin de chaque période de transmission de courant, par suite de l'effet de la bobine de réactance précitée, un étage St de courant très faible, pendant laquelle le dispositif de contact peut être ouvert sans formation d'étincelles.
Après l'ouverture du contact le flux de courant est interrompu dans la phase en question jusqu'à ré-enclenchement au cours de la période suivante.
Le retour d'arc est caractérisé par le fait que pour une raison perturbatrice quelconque le courant n'est pas interrompu après écoulement de la période mais continue sous formé de retour d'arc - cét arc étant par exemple formé entre les surfaces de contact. Si l'on suppose à titre d'exem- ple un retour d'arc après la fin de l'étage du courant il ce retour d'arc serait représenté par le courantil , ce courant de retour sera fourni par la phase suivante, dans l'exemple cité par la phase 2,.de telle sorte que le courant avant de cette phase augmente au-delà de sa valeur normale symé- triquement par rapport au courant de retour il? suivant la courbe i2R.
Les courants i1R et i2R peuvent ainsi atteindre tres rapidement des valeurs élevées, étant donné que i2 n'est à présent plus, comme dans le fonctionnement non perturbé, limité par la résistance du circuit de charge extérieur, mais uniquement-par les chutes de tension dans le circuit .inverseur de courant.
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La figure 6 représente, en se basant sur une courbe d'hystéré- sis rectangulaire idéale, les phénomènes dans le noyau annulaire R2. En cas de fonctionnement non perturbé le noyau est continuellement maintenu à l'état de;saturation en direction négative par le èourant continu Jg émis Aux moments où le flux de courant de la phase 2 est interrompu, l' inten- sité de champ correspond à la ligne verticale i2 = 0 et le point correspon- dant sur la courbe-d'hystérésis est -Bs. Pendant la période de travail de la phase 2 i2 = Jg. Par suite du flux en sens contraire dans'le circuit magnétique fermédu noyau annulaire le courant alternatif compense tout jus- tement le flux de courant continu, et le point correspondant sur la courbe- d'hystérésis est déplacé vers le point de rémanence -Br.
Ce phénomène est répété au cours de chaque période. L'alternance continue entre -Bs et -Br n'a pratiquement pour conséquence aucune variation de flux, si l'on emploie du fer de bonne qualité, de telle sorte que l'enroulement de déclenchement prévu sur le noyau n'est pas traversé par du courant.
Mais dès qu'en cas de retour d'arc le courant i2 croît jusqu'à devenir i2R, tandis que le courant continu Jg peut être considéré encore comme invariable au premier instant, et diminue ensuite et ainsi augmente .encore l'excès de flux du courant i2R,la polarité du noyau est renversée selon la partie en pointillé de la courbe d'hystérésis. De ce fait, une force électromotrice est induite dans l'enroulement de déclenchement, qui a pour conséquence un courant de déclenchement d'une valeur telle que ce courant annule pratiquement la somme des flux,
Les deux autres noyaux annulaires Rl et R3 sont également satu- rés au commencement du retour d'arc par le courant continu.
L'action du courant ilR dans le noyau R1 exerce un effet de saturation supplémentaire et le courant de déclenchement iA traversant les enroulements de déclenche- ment Al et A3 sur les deux noyaux Al et A3 produit en outre un effet de ren- forcement de la saturation. Dans ces deux noyaux Rl et R3 aucune tension n'est donc induite, qui pourrait empêcher l'augmentation du courant de dé- clenchement. Le courant de déclenchement croissant iA ne produit non plus aucun renversement de polarité de ces noyaux,. mais il se produit uniquement une chute de tension correspondant à l'inductance à l'air des enroulements de déclenchement.
Le dispositif suivant les figures 2 à 4 est donc capable de remplacer avantageusement, sans l'emploi de convertisseurs et de redres- seurs spéciaux, le montage de protection connu de redresseurs de courant suivant la figure 1.
Afin qu'indépendamment des phénomènes d'aimantation cités plus haut des circuits magnétiques fermés de préférence sous forme de noyaux an- nulaires, la direction de saturation exacte soit toujours assurée lors de la mise en marche du redresseur de courant, il peut être préférable de com- muniquer aux noyaux une faible préaimantation en courant continu, en direc- tion du courant de retour croissant, donc en direction du courant Jg'dans le conducteur de courant continu, de telle sorte qu'en fonctionnement non per- turbé le flux de courant'continu soit quelque peu dominant. Pour la produc- tion de cette pré-aimantation on peut prévoir un enroulement auxiliaire sur les noyaux, qui peut être traversé soit par le courant d'une petite source de courant continu, soit par le courant de charge de base du redresseur de courant.
Cette dernière éventualité est également'possible lorsque le cou- rant de charge de base est coupé si unè certaine charge minimum limite est dépassée. En effet si le noyau a été polarisé dans le bon sens au commence- ment, seule une perturbation peut changer cette polarité après l'arrêt de la pré-aimantation.
Au lieu de monter en série les enroulements de déclenchement Al, A2, A3 des trois noyaux annulaires Rl, R2, R3 (figures 2 à 4) les diffé- rents enroulements de déclenchement peuvent également agir séparément sur les dispositifs de protection; il suffit que le déclencheur prévu- pour ce dispositif soit muni de trois'enroulements séparés. Dans la figure 4 il faut en ce cas prévoir pour le court-circuiteur Sch, en plus de l'enroulement de support H, trois enroulements de commande séparés. Au lieu du court-circui- teur Sch on peut aussi employer tout autre dispositif de protection, qui as-
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sure une protection exempte de retards du redresseur de courant lors d'un retour d'arc.
Les figures 7 et 8 représentent en élévation latérale et en plan un autre groupement des noyaux annulaires R1, R2, R3, dans lequel les noyaux annulaires Rl, R2, R3 entourant le conducteur courant continu recti- . ligne sont décalés de manière telle l'un par rapport aux autres que les'con- ducteurs courant alternatif U, V, W peuvent également traverser sans coudes et en ligne droite les noyaux auxquels ils sont associés. Pour la fabrica- tion du nouveau dispositif de protection différentiel on peut employer avec avantage les noyaux annulaires en ruban, qui sont composés de rubans en ma- tière magnétique, laminés, très minces, et enroulés en anneau. Les circuits magnétiques fermés peuvent cependant aussi avoir une forme et une constitu- tion différentes.
Dans la suite on va décrire le comportement du nouveau disposi- tif de protection lorsqu'il est employé avec un montage en pont du redres- seur. La figure 9 représente sous sa forme la plus simple un tel montage triphasé en pont. Les mêmes chiffres de référence désignent les mêmes élé- ments que dans la figure 4. Les phases secondaires U, V, W du transformateur Tr sont reliés aux points de dérivation 0, P, Q d'une part aux redresseurs K1, K2, K3 et d'autre part aux redresseurs K'1, K'2, K'3, dont la-direction de passage est indiquée'par les symboles de soupape..
La figure 10 représente les courbes de courant correspondantes.
Si l'on monte par exemple un dispositif de protection correspondant à la fi- gure 4 à l'endroit C de la figure 9 dans les phases secondaires du transfor- mateur Tr, il faut distinguer deux cas. Si le retour d'arc se produit à la fin de l'étage d'une période de transmission de courant positive, par exem- ple Il+., le phénomène a lieu de la manière décrite plus haut, et l'impulsion de déclenchement dans l'enroulement de déclenchement correspondant se pro- duit au début du retour d'arc. Si par contre le retour d'arc a lieu à la fin de l'étage d'une période de transmission de courant négative, par exem- ple il l'accroissement supplémentaire immédiat du courant avant i2R n'est d'aucune utilité, étant donné qu'il renforce encore la saturation du circuit magnétique correspondant ou du noyau.
L'impulsion de déclenche- ment doit par contre être produite à présent par le noyau R1 de la phase 1.
Mais pour cela il faut que. le courant i1R s'accroisse tout d'abord jusqu'à atteindre la valeur du courant continu Jg à chaque instant, pour supprimer la traversée du noyau par un flux de courant continu. C'est seulement un accroissement supplémentaire qui produit un renversement de polarité du noyau et l'induction d'une impulsion de déclenchement. Dans ce cas le temps nécessaire au courant i pour prendre la valeur Jg est perdu, avant que ne commence l'impulsion de déclenchement. Les redresseurs correspon- dants,par exemple les contacts de convertisseurs, doivent en outre trans- mettre un'courant accru de la valeur Jg, ce qui augmente le degré de dom- mages produit par l'arc de retour.
Lorsque le dispositif de protection con- tre les retours d'arc est inséré au point C de la figure 9, on n'obtient donc pas dans tous les cas les mêmes avantages qu'avec son utilisation pour le montage en étoile suivant la figure 4.
Pour cette raison son montage au point C de la figure 9 ne sera employé qu'avec des redresseurs de puissance moindre, pour lesquels le re- tard de déclenchement précité et l'augmentation du courant ne produit pas encore des dommages trop considérables.
Une protection équivalente à celle décrite plus haut avec ré- férence au montage en étoile de la figure 4 est obtenue lorsque des dispo- sitifs de protection différentiels triphasés sont montés aux points E et F du montage en pont suivant la figure 9; en effet chacune des deux moitiés du pont constitue isolément un montage triphasé en étoile. Il faut pour cette raison deux dispositifs de protection différentiels, par exemple sui- vant les figures 2 et 3 ou 7 et 8, et par conséquent, six noyaux.
Un dispositif à action également rapide dans les deux sens du courant est cependant également possible, lorsque l'on emploie six noyaux,
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au point C, si dans chacune des trois phases U, V, W un couple de noyaux est disposé de manière telle que, comme l'indique la figure 11 pour la phase U les flux de courant alternatif traversant deux noyaux (R1a et R1b) de chaque couple de noyaux ont des sens différents, le conducteur de courant alterna- tif (U) traversant ces noyaux avec des enroulements en sens différents.
En correspondance avec ce qui précède, il se produit dans ce cas lors d'un retour d'arc une impulsion soit dans l'enroulement de déclenchement (Ala), soit dans l'autre enroulement de déclenchement (Alb) en série avec le pre- mier, cette impulsion commandant de la manière décrite le dispositif de protection.
Une disposition équivalente, qui évite cependant le doublement des noyaux, et qui constitue une forme de réalisation préférée, est obtenue si, suivant la figure 12, les circuits ou noyaux magnétiques sont tous tra- versés par du courant continu et si chacun des noyaux est en outre relié aux deux conducteurs issus chacun d'un point de dérivation, leurs sens d'en- roulement étant opposés, Dans la figure 12 le noyau RI associé à la phase U est représenté avec le conducteur transportant le courant continu Jg.
Le conducteur de pont correspondant entre les points E et'F est monté sur le noyau sous forme d'un enroulement, dont la dérivation centrale 0 est raccordée au conducteur de phase U du transformateur Tr. Le point 0 est par conséquent le point de dérivation du pont. Impliquant seulement une aug- mentation peu importante du diamètre du noyau annulaire due à la nécessité de logement du deuxième conducteur courant alternatif, cette disposition remplit, en ce qui concerne la vitesse de déclenchement et la valeur du cou- rant de contact les mêmes conditions dans le montage en pont du redresseur triphasé suivant la figure 9 que le dispositif de protection suivant la figure 4 dans le montage en étoile triphasé y représenté.
Le nouveau, dispositif peut également être employé de façon con- forme pour d'autres nombres de phases et pour d'autres montages de redres- seur. Il n'est pas seulement limité à des transformateurs à contacts mais peut aussi être appliqué à d'autres types de redresseur, avec les mêmes a- vantages en ce qui concerne la production sans retard de l'impulsion de déclenchement déjà au commencement du retour d'arc. Il peut être utilisé par exemple avec des redresseurs à vapeur de mercure à commande par grille pour déclencher le relais rapide pour le verrouillage de la grille. La disposition d'un noyau par phase permet même un déclenchement sélectif d'appareils de protection qui n'agissent que sur les phases isolées.
Un développement avantageux du dispositif de protection diffé- rentiel ci-dessus décrit réside dans le fait que le flux traversant les circuits magnétiques est produit par des bobines à plusieurs spires. De cette manière on peut, en comparaison avec le passage simple des conduites à travers les circuits magnétiques, réduire la section des noyaux magnéti- ques tout en gardant le même rendement. Le nombre de spires pour les en- roulements côté courant alternatif d'une part et les enroulements courant continu d'autre part doit être en substance identique.
Pour assurer l'état d'aimantation convenable pour le fonctionnement non perturbé, les nombres de spires peuvent être accordés de façon telle que le flux de courant con- tinu pur domine quelque peu au cours du fonctionnement normal, ou bien que le nombre de 'spires des enroulements côté courant alternatif des circuits magnétiques est un peu plus réduit.
Pour chaque noyau magnétique un enroulement courant continu particulier peut être prévu. Le flux de courant continu nécessaire peut cependant aussi être produit par un enroulement courant continu commun à plusieurs ou à tous les noyaux magnétiques.
Les enroulements de déclenchement peuvent présenter plusieurs spires. Dans les formes de réalisation décrites jusqu'à présent suivant les figures 2, 4, 11 et 12 on a prévu une bobine de déclenchement particu- lière pour chaque noyau magnétique. Une bobine de déclenchement commun à plusieurs ou à tous les noyaux magnétiques est cependant avantageuse préci- sément pour le développement de l'invention comportant des enroulements à plusieurs spires produisant le flux à travers le circuit magnétique, la
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section du noyau magnétique étant réduite en conséquence.
En effet, pour garder l'avantage d'une section réduite de noyau magnétique, il faut aug- menter en conséquence le nombre de spires de l'enroulement de déclenchement, Mais de ce fait la résistance effective de ces enroulements devient dans certaines circonstances trop élevée, si chaque noyau porte un enroulement de déclenchement séparé. Une part considérable de cette résistance élevée est due aux nombreuses liaisons frontales. Suivant l'invention on emploie pour cette raison, au lieu de plusieurs enroulements de déclenchement sé- parés, associés chacun à un seul noyau et montés en série, un seul enroule- ment de déclenchement commun à tous les noyaux. De cette manière les jonc- tions frontales situées dans les intervalles entre les noyaux magnétiques sont supprimées.
Les portions de conducteur supplémentaires d'un noyau à l'autre sont au contraire beaucoup plus courtes, d'autant plus si les enroulements courant alternatif ont une forme telle que les noyaux sont proches l'un de l'autre, donc si les enroulements sont constitués par du cuivre plat avec spires disposées côte à côte.
Le dessin représente une forme de réalisation de l'invention, en coue dans la figure 13 et en vue en plan dans la figure 14. La coupe de la figure 13 correspond à la ligne de coupe A-B de la figure 14. La dispo- sition comporte trois noyaux annulaires 11, 12, 13 portant chacun un enrou- lement courant alternatif composé de deux spires 14, 15, 16. L'enroulement 14 sur le noyau 11 et l'enroulement 15 sur le noyau 12 ne sont pas représen- tés dans la figure 13, pour plus de clarté. Ces enroulements, de même que l'enroulement 16, spnt de préférence en rubans métalliques, -par exemple rubans de cuivre,pour obtenir une construction la plus serrée possible.
Les con- ducteurs courant alternatif 19 et 20 sont reliés par des cosses de câble 17 et 18 à l'enroulement 16. Les raccords des enroulements 14 et 15 sont de la même forme. L'enroulement courant continu 22 comporte également deux spi- res. Cet enroulement couvre les trois noyaux 11, 12, 13 de même que l'enrou- lement de déclenchement commun 21, dont la longueur.est relativement réduite à cause de la construction serrée dont question. Sa résistance est par con- séquent inférieure à la résistance totale de trois enroulements de déclen- chement séparés montés en série, et cette résistance peut de cette manière être maintenue sous la limite supérieure admissible.
REVENDICATIONS
1 Dispositif de protection différentiel pour redresseurs de courant,particulièrement pour transformateurs à contacts, avec un disposi- tif comparant le courant alternatif alimenté au courant continu émis et dé- clenchant le dispositif de protection, caractérisé en ce que les courants à comparer (Jg et il ou,13 - figures 4 et 5) constituent directement le flux traversant les circuits magnétiques fermés (Rl, R2, R3 - figures 2 à 4), sur lesquels est monté un enroulement de déclenchement (Al ou A2 ou A3).
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DIFFERENTIAL PROTECTION DEVICE> P; 0UR CURRENT RECTIFIERS.
To avoid the disastrous effects of arc flashbacks in current rectifiers, particularly contact converters, the method of using a device for comparing the input alternating current to the direct current output of the device is known. current rectifier, which in the event of return arcs triggers a protection device.
FIG. 1 schematically represents such a differential protection device. As an example, we have chosen a transformer with contacts K protecting against arc return and symbolically represented.The direct current Jg that it produces is compared in a differential annular transformer has a second direct current Jw 'which at the using a total rectification installation G is obtained from the secondary currents of SW converters, which are mounted in the U, V, W conductors bringing the direct current to the contact transformer K.
In the event of disturbance of the balance of ampere-turns in the annular converter R, which takes place for example in the event of an arc return because the direct current Jw obtained from the alternating currents of the phases U, V, W increases very rapidly, as the DC charging current Jg begins to decrease, the polarity of the annular core of the converter is reversed and a pulse iA is produced in the trigger winding A, which operates
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the short-circuiter Sch.
The short-circuiter, which is kept open during normal operation, for example by means of the support winding H, then bridges the operating contacts of the converter K and thus protects them against burns, such that the suppression of the disturbance can take place in an appropriate manner, for example by means of the main switch, without special requirements as regards the speed of this suppression being imposed.
Because of the necessity of the G rectifier assembly and SW converters, the protection assembly according to figure 1 is mainly used in high power rectifiers. But their cost price
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is too high for low and medium power rectifiers. For this reason it is the object of the present invention to provide a protective assembly in which the converters and the auxiliary rectifier device are not required.
The invention also relates to a differential protection device for current rectifiers, particularly for contact transformers, in which a device comparing the alternating current supplied to the direct current produced trips the protection device for the current rectifier. According to the invention, the currents to be compared directly constitute the flux passing through the closed magnetic circuits, on which the tripping windings for the protection device are mounted. The invention will be described in more detail with reference to Figures 2 to 14.
FIGS. 2 and 3 diagrammatically represent an example of the principle arrangement of a protection device according to the invention, intended for a three-phase connection. One of the two direct current conductors passes through three annular cores R1, R2 and R3 made of magnetic material with a preferably approximately rectangular hyteresis curve, for example made of an iron-nickel or silicon-iron alloy, such that the three cores are crossed by the flow of the direct current Jg of charge. In addition each core is crossed by one of the three direct current conductors U, V, W.
The three cores furthermore still carry tripping windings Al, A2, A3, for example mounted in series and connected to the tripping coil of the protection device.
The operation of this device will be explained first of all with the aid of the three-phase star connection of a transformer with contacts, with reference to FIG. 4. The series connection, not shown in detail, of each contact device isolated with the associated reactance coil known per se, is replaced by the symbol of a rectifier K1, K2, K3, also indicating the normal direction of the current rectified by the contact transformer. K1, K2, K3 can, however, also denote rectifiers of a different type, for example discharge rectifiers. Tr denotes a transformer connected to the alternating network R, S, T. The currents of the secondary phases U, V, W of this alternating network are rectified by the rectifiers K1, K2, K3.
L denotes the load of the current rectifier and D denotes a reactance coil for filtering the direct current of load Jg. R1, R2, R3 denote the annular cores shown in figure 2. -
FIG. 5 represents the evolution of the currents il .. i2, and i3, which pass through the rectifiers K1, K2, K3 of the different phases (FIG. 4) in the form of a curve. In the event of normal undisturbed operation, at the end of each current transmission period, as a result of the effect of the aforementioned reactance coil, a very low current stage St is formed, during which the contact device can be switched on. open without sparking.
After opening the contact, the current flow is interrupted in the phase in question until it recloses during the following period.
Arc return is characterized by the fact that for any disturbing reason the current is not interrupted after the period has elapsed but continues in the form of arc return - this arc being for example formed between the contact surfaces. If we assume as an example an arc return after the end of the current stage il this arc return would be represented by the current il, this return current will be supplied by the following phase, in the example cited by phase 2,. such that the forward current of this phase increases beyond its normal value symmetrically with respect to the return current il? along the i2R curve.
The currents i1R and i2R can thus very quickly reach high values, given that i2 is now no longer, as in undisturbed operation, limited by the resistance of the external load circuit, but only by voltage drops. in the current inverter circuit.
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FIG. 6 shows, based on an ideal rectangular hysteresis curve, the phenomena in the ring nucleus R2. In the case of undisturbed operation, the nucleus is continuously maintained in the state of saturation in the negative direction by the direct current Jg emitted At the moments when the current flow of phase 2 is interrupted, the field strength corresponds to the vertical line i2 = 0 and the corresponding point on the hysteresis curve is -Bs. During the working period of phase 2 i2 = Jg. As a result of the flow in the opposite direction in the closed magnetic circuit of the annular core, the alternating current completely compensates for the direct current flow, and the corresponding point on the hysteresis curve is shifted to the remanence point -Br.
This phenomenon is repeated during each period. The continuous alternation between -Bs and -Br results in practically no flux variation, if good quality iron is used, so that the trigger winding provided on the core is not traversed. by current.
But as soon as in the event of an arc return, the current i2 increases until it becomes i2R, while the direct current Jg can still be considered as invariable at the first instant, and then decreases and thus increases further. current i2R, the polarity of the core is reversed according to the dotted part of the hysteresis curve. As a result, an electromotive force is induced in the trip winding, which results in a trip current of a value such that this current practically cancels out the sum of the fluxes,
The other two annular cores R1 and R3 are also saturated at the start of the arc return by the direct current.
The action of the current ilR in the core R1 exerts an additional saturation effect and the triggering current iA flowing through the triggering windings Al and A3 on the two cores Al and A3 also produces a strengthening effect of the saturation. In these two cores R1 and R3 no voltage is therefore induced, which could prevent the increase in the triggering current. The increasing tripping current iA does not produce any reverse polarity of these cores either. but there is only a voltage drop corresponding to the air inductance of the trip windings.
The device according to FIGS. 2 to 4 is therefore capable of replacing advantageously, without the use of special converters and rectifiers, the known protection assembly of current rectifiers according to FIG. 1.
In order that, independently of the magnetization phenomena mentioned above, closed magnetic circuits preferably in the form of annular cores, the exact saturation direction is always ensured when the current rectifier is switched on, it may be preferable to to communicate to the cores a weak pre-magnetization in direct current, in the direction of the increasing return current, therefore in the direction of the current Jg 'in the direct current conductor, so that in operation without disturbance the flow of continuous current is somewhat dominant. For the production of this pre-magnetization an auxiliary winding can be provided on the cores, which can be passed through either by the current from a small direct current source, or by the base load current of the current rectifier.
The latter is also possible when the base load current is cut if a certain minimum load limit is exceeded. In fact, if the core was polarized in the right direction at the start, only a disturbance can change this polarity after stopping the pre-magnetization.
Instead of mounting in series the tripping windings A1, A2, A3 of the three annular cores R1, R2, R3 (Figures 2 to 4) the different tripping windings can also act separately on the protection devices; it suffices that the trigger provided for this device is provided with three separate windings. In FIG. 4 in this case it is necessary to provide for the short-circuiter Sch, in addition to the support winding H, three separate control windings. Instead of the short-circuit breaker Sch, it is also possible to use any other protection device, which assists
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Provides a delay-free protection of the current rectifier during an arc return.
Figures 7 and 8 show in side elevation and in plan another grouping of the annular cores R1, R2, R3, in which the annular cores Rl, R2, R3 surrounding the recti- direct current conductor. line are offset in such a way with respect to one another that the alternating current conductors U, V, W can also cross without bends and in a straight line the cores with which they are associated. For the manufacture of the new differential protection device, annular tape cores can be employed with advantage, which are composed of magnetic tapes, laminated, very thin, and wound in a ring. Closed magnetic circuits can, however, also have a different shape and construction.
In the following, the behavior of the new protection device will be described when it is used with a bridge assembly of the rectifier. FIG. 9 shows in its simplest form such a three-phase bridge assembly. The same reference numbers designate the same elements as in figure 4. The secondary phases U, V, W of the transformer Tr are connected to the derivation points 0, P, Q on the one hand to the rectifiers K1, K2, K3. and on the other hand to the rectifiers K'1, K'2, K'3, the direction of which is indicated by the valve symbols.
FIG. 10 represents the corresponding current curves.
If, for example, a protection device corresponding to FIG. 4 is mounted at location C in FIG. 9 in the secondary phases of transformer Tr, two cases must be distinguished. If the arc return occurs at the end of the stage of a period of positive current transmission, for example Il +., The phenomenon takes place as described above, and the trigger pulse in the corresponding trip winding occurs at the start of the arc return. If, on the other hand, the arc return takes place at the end of the stage of a period of negative current transmission, for example the immediate additional increase of the current before i2R is of no use, being given that it further strengthens the saturation of the corresponding magnetic circuit or core.
On the other hand, the trigger pulse must now be produced by the core R1 of phase 1.
But for that it is necessary that. the current i1R increases first of all until it reaches the value of the direct current Jg at each instant, to eliminate the crossing of the core by a flow of direct current. It is only a further increase which produces a reverse polarity of the nucleus and the induction of a trigger pulse. In this case the time necessary for the current i to take the value Jg is lost, before the trigger pulse begins. The corresponding rectifiers, for example the contacts of converters, must additionally transmit an increased current of the value Jg, which increases the degree of damage produced by the return arc.
When the arc return protection device is inserted at point C in figure 9, the same advantages are not obtained in all cases as with its use for the star connection according to figure 4. .
For this reason its assembly at point C in FIG. 9 will only be used with rectifiers of lower power, for which the aforementioned delay in tripping and the increase in current does not yet produce too considerable damage.
A protection equivalent to that described above with reference to the star connection in figure 4 is obtained when three-phase differential protection devices are mounted at points E and F of the bridge connection according to figure 9; in fact each of the two halves of the bridge constitutes in isolation a three-phase star assembly. For this reason, two differential protection devices are required, for example according to Figures 2 and 3 or 7 and 8, and therefore six cores.
A device with equally fast action in both directions of the current is however also possible, when six cores are used,
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at point C, if in each of the three phases U, V, W a pair of cores is arranged such that, as shown in figure 11 for phase U, the flows of alternating current passing through two cores (R1a and R1b) of each pair of cores have different directions, the alternating current conductor (U) passing through these cores with windings in different directions.
In correspondence with the above, it occurs in this case during an arc return a pulse either in the tripping winding (Ala) or in the other tripping winding (Alb) in series with the pre - Mier, this impulse controlling the protection device in the manner described.
An equivalent arrangement, which however avoids the doubling of the cores, and which constitutes a preferred embodiment, is obtained if, according to FIG. 12, the circuits or magnetic cores are all traversed by direct current and if each of the cores is furthermore connected to the two conductors each coming from a branch point, their winding directions being opposite. In FIG. 12, the core RI associated with phase U is shown with the conductor carrying the direct current Jg.
The corresponding bridge conductor between points E and'F is mounted on the core in the form of a winding, the central branch 0 of which is connected to the phase conductor U of the transformer Tr. The point 0 is therefore the branch point from the bridge. Implying only a small increase in the diameter of the annular core due to the need to accommodate the second alternating current conductor, this arrangement fulfills, as regards the tripping speed and the value of the contact current, the same conditions under the bridge connection of the three-phase rectifier according to FIG. 9 and the protection device according to FIG. 4 in the three-phase star connection shown therein.
The new device can also be suitably employed for other numbers of phases and for other rectifier arrangements. It is not only limited to contact transformers but can also be applied to other types of rectifier, with the same advantages as regards the undelayed generation of the trigger pulse already at the start of the feedback. arc. It can be used for example with grid operated mercury vapor rectifiers to trigger the fast relay for grid interlock. The arrangement of one core per phase even allows selective tripping of protection devices which only act on the isolated phases.
An advantageous development of the differential protection device described above resides in the fact that the flux passing through the magnetic circuits is produced by coils with several turns. In this way it is possible, in comparison with the simple passage of the conduits through the magnetic circuits, to reduce the section of the magnetic cores while maintaining the same efficiency. The number of turns for the alternating current side windings on the one hand and the direct current windings on the other hand must be substantially the same.
To ensure the magnetization state suitable for undisturbed operation, the numbers of turns can be tuned such that the pure direct current flow dominates somewhat during normal operation, or else the number of turns may be. turns of the windings on the alternating current side of the magnetic circuits is somewhat smaller.
For each magnetic core a particular direct current winding can be provided. However, the necessary direct current flow can also be produced by a direct current winding common to several or all of the magnetic cores.
The trip windings can have several turns. In the embodiments described heretofore according to Figures 2, 4, 11 and 12, a specific trigger coil has been provided for each magnetic core. A trigger coil common to several or to all the magnetic cores is however precisely advantageous for the development of the invention comprising windings with several turns producing the flux through the magnetic circuit, the
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section of the magnetic core being reduced accordingly.
In fact, to keep the advantage of a reduced section of the magnetic core, it is necessary to increase the number of turns of the tripping winding accordingly, but as a result the effective resistance of these windings becomes too high in certain circumstances. high, if each core carries a separate trigger winding. A considerable part of this high resistance is due to the numerous front connections. According to the invention, for this reason, instead of several separate trigger windings, each associated with a single core and connected in series, a single trigger winding common to all the cores is employed. In this way the front junctions located in the gaps between the magnetic cores are eliminated.
The additional conductor portions from one core to the other are on the contrary much shorter, all the more so if the alternating current windings have a shape such that the cores are close to each other, therefore if the windings are formed by flat copper with turns arranged side by side.
The drawing shows one embodiment of the invention, in section in Figure 13 and in plan view in Figure 14. The section in Fig. 13 corresponds to the section line AB in Fig. 14. The arrangement comprises three annular cores 11, 12, 13 each carrying an alternating current winding composed of two turns 14, 15, 16. Winding 14 on core 11 and winding 15 on core 12 are not shown. in Figure 13, for clarity. These windings, as well as the winding 16, are preferably made of metal tapes, for example copper tapes, in order to obtain the tightest possible construction.
The alternating current conductors 19 and 20 are connected by cable lugs 17 and 18 to the winding 16. The connections of the windings 14 and 15 are of the same shape. The direct current winding 22 also has two turns. This winding covers the three cores 11, 12, 13 as well as the common trip winding 21, the length of which is relatively short because of the tight construction in question. Its resistance is therefore lower than the total resistance of three separate trip windings connected in series, and this resistance can in this way be kept below the upper allowable limit.
CLAIMS
1 Differential protection device for current rectifiers, particularly for transformers with contacts, with a device comparing the alternating current supplied with the direct current emitted and tripping the protection device, characterized in that the currents to be compared (Jg and it or, 13 - Figures 4 and 5) directly constitute the flux passing through the closed magnetic circuits (Rl, R2, R3 - Figures 2 to 4), on which is mounted a trigger winding (A1 or A2 or A3).